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市一等奖小学科学AI赋能论文:AI交互语音实验助手在小学科学实验教学中的研发与应用——以“小苏打与白醋反应”实验为例
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AI交互语音实验助手在小学科学实验教学中的研发与应用
——以“小苏打与白醋反应”实验为例
摘要：随着人工智能与教育的深度融合，实验教学数字化成为落实“双减”政策、发展科学素养的重要路径。传统小学科学实验中，“小苏打与白醋反应”实验存在实验现象与概念脱节、操作障碍频发、推理链条断裂等问题。为解决这些问题，研究基于AI交互与多传感器融合技术，开发了一款适用于小学科学实验的AI交互语音实验助手装置。该装置通过模块化硬件与智能化软件控制，实现语音指令响应、实验过程引导、温度和CO2浓度实时监测及数据可视化功能，构建了“语音指令、现象观察、数据推理、结论建构”的科学实验探究链。教学实践表明，该装置破解了传统实验的难题，显著提升了学生的探究兴趣和数字素养，为数字技术赋能小学科学实验教学提供了可操作的实践范式。
关键词：人工智能；小学科学实验；AI交互语音实验助手；多传感器融合技术；实验教学数字化
一、引言
2022年4月，教育部印发的《义务教育科学课程标准（2022年版）》提出，教师应利用信息技术辅助手段，如虚拟仿真实验、数字化实验等，让学生比较直观便捷地学习相关知识。学校与教师还应关注数字化教材、音像资料、多媒体软件等资源的开发与使用［1］。2023年5月，《教育部等十八部门关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》明确要求探索利用人工智能、虚拟现实等技术手段改进和强化实验教学［2］。2025年1月，教育部办公厅印发的《中小学科学教育工作指南》指出，要实现数字化赋能科学教育；在做好实体类实验的同时，积极探索利用人工智能、虚拟现实等新技术开展实验教学［3］。这一系列政策的出台，为小学科学实验教学的数字化革新指明了方向，提供了发展动力。与此同时，AI语音识别技术准确率的持续提升与低成本传感器的不断普及，为研发小学科学实验的智能装置提供了技术支撑，使“数字化、互动化、探究化”的实验教学成为可能。
二、传统实验教学存在的问题
以教科版小学《科学》（2019年版）六年级下册“物质的变化”单元第2节“产生气体的变化”为例，其中“小苏打与白醋反应”的实验教学中，传统实验材料与操作流程（图1）存在一些问题。笔者通过教学实践与观察反思，梳理出该实验存在的三个核心问题：其一，在认知层面，学生难以将“产生气泡”与“产生气体”建立关联，对“化学变化产生新物质”概念的理解较为模糊。其二，在操作层面，当探究“产生的气体不支持燃烧”这一气体性质时，效果不佳。因传统实验存在诸多缺陷，如密封袋易被烫破，打开密封袋时气体易泄漏，剩余液体易倒出而浇灭火焰，探究气体性质时需要收集两次气体，蜡烛高度持续变化而导致频繁更换蜡烛，点燃和拿取蜡烛不便等。这些缺陷严重制约了探究的进度和深度，使得教师不得不简化实验流程，原本开放的实验退化为演示性操作。其三，在思维层面，教材中的实验材料无法用于探究“产生的气体比空气重”这一气体性质。实验最后，对于“小苏打与白醋反应产生的气体是什么”这一问题，通常由教师直接告知结论来完成教学，学生缺乏从现象到原理的自主推理空间。以上问题导致学生形成了“实验即流程操作”的误解，科学推理能力的培养严重不足，这与《义务教育科学课程标准（2022年版）》中“通过证据推理解释现象”的能力要求相违背。
图1现行小学《科学》教材中“小苏打与白醋反应”的实验
三、实验改进：AI交互语音实验助手装置的研发与应用
为解决“小苏打与白醋反应”传统实验存在的三个核心问题，笔者研发了一款AI交互语音实验助手装置并应用于此实验。此举旨在通过技术创新，将抽象的化学变化转化为直观的现象与量化的数据，引导学生在与智能装置的交互中，从被动执行步骤转变为主动探究推理，为破解该实验的教学难题提供方法路径。笔者研发的“小苏打与白醋反应”AI交互语音实验助手装置采用模块化设计理念，构建了“反应、收集气体”“AI交互”“探究气体性质”三大协同运作的功能模块（图2）。各模块通过硅胶软管实现气体流通，借助USB数据传输线完成信息交互，形成物质流、数据流、控制流三位一体的协同运作体系，解决了该实验在认知、操作、思维层面的问题。其中，“反应、收集气体”模块负责生成并储存反应产生的CO2；“AI交互”模块承担核心控制功能，通过Arduino开发板实现调控；“探究气体性质”模块用于探究CO2“不支持燃烧”和“比空气重”的性质。这种设计的优势在于，各模块可独立拆装，便于更换、维修与携带；模块间的协同运作确保实验流程连贯，使现象观察与数据采集同步进行。例如，当“反应、收集气体”模块中的反应开始时，“AI交互”模块能立即启动温度与CO2浓度监测，确保学生在观察现象的同时获取实时数据，为后续推理提供依据。
图2“小苏打与白醋反应”实验AI交互语音实验助手装置的三大功能模块
1.反应、收集气体模块
结构介绍：该模块主要负责化学反应的发生与气体收集，由透明密封反应瓶、气球式气体收集器、硅胶软管、防倒流硅胶阀等组成（图3）。透明密封反应瓶设计有旋转式接口，可与气球式气体收集器紧密连接；气球式气体收集器选用食品级乳胶材质，能承受0.1 MPa的气压，避免因气体过多而破裂；防倒流硅胶阀可以防止反应液倒流进入硅胶软管和气球式气体收集器。
图3基于AI交互的语音实验助手装置材料组成介绍——“小苏打与白醋反应”实验
技术创新：该模块采用“分体式反应物隔离”设计。反应前，将白醋注入反应瓶，小苏打预先装入气球，通过旋转接口使气球口与反应瓶口对齐，此时反应物未接触。反应时，只需提起气球，小苏打便可落入白醋中。反应瓶口的扎带可避免因气压升高导致瓶盖崩脱，配合整体密闭结构，有效减少了传统实验易出现的气体泄漏问题。反应结束后，废液处理仅需旋转瓶盖、拔掉硅胶管即可分离废液，清洗反应容器十分便捷，这使得连续多次实验成为可能，也解决了传统实验中倾倒反应袋导致浇灭蜡烛的问题，破解了传统实验操作障碍频发的难题。
教育价值：该模块将“产生气体”这一抽象过程转化为“气球变大”的直观现象，帮助学生建立“产生气体—产生气泡—气球变大”的逻辑链。绝大部分学生在首次使用该模块时，就能直接说出“气球变大是因为产生了气体”，显著降低了认知难度，直接破解了传统实验“现象与概念脱节”的问题。
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